蘇北盆地老子山地?zé)崽锼牡厍蚧瘜W(xué)特征

蘇北盆地老子山地?zé)崽锼牡厍蚧瘜W(xué)特征

0熱流折射研究地?zé)豳Y源是能源能源中最現(xiàn)實(shí)、最競爭力的資源之一。實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用,是當(dāng)今中國也是世界地?zé)岙a(chǎn)業(yè)所面臨的最為關(guān)鍵的問題。要解決這一問題,首先要查明地?zé)豳Y源的成因機(jī)制。目前,國內(nèi)外此類研究已較為成熟,我國學(xué)者還在中低溫地?zé)豳Y源成因研究中提出了具有特色的“熱流折射”和“新構(gòu)造控?zé)峥厮崩碚摗＠献由降責(zé)崽锸翘K北盆地開發(fā)利用較早的地?zé)崽?。?001年發(fā)現(xiàn)地?zé)岙惓Ｒ詠?已經(jīng)開展一系列的普查工作,基本圈定了異常區(qū)范圍。汪名鵬等基于地?zé)釁^(qū)的構(gòu)造、地溫場及地?zé)崴乃瘜W(xué)和水穩(wěn)定同位素特征,闡述了地?zé)豳Y源的賦存特征,但因未對地?zé)崽锏臒嵩础⒌責(zé)崴哪挲g和循環(huán)過程等進(jìn)行研究,未給出完整的成因模式。筆者在前人工作的基礎(chǔ)上,采用大地?zé)崃鳒y試和水文地球化學(xué)等方法,對老子山地?zé)崽锏某梢蜻M(jìn)行了系統(tǒng)分析。1區(qū)域地質(zhì)背景老子山地?zé)崽锏靥幗K省洪澤縣,位于洪澤湖南岸、老子山東北淮河口(圖1)。地貌屬濱湖平原。地形平坦,海拔12~13m。其西部緊鄰老子山—佛窩低山殘丘區(qū),海拔50~140m。老子山—佛窩以南為張八嶺丘陵區(qū),海拔一般為50~300m。最高峰為老嘉山,海拔332.3m。區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育。淮河是地?zé)釁^(qū)內(nèi)主要河流,呈SW—NE向貫穿地?zé)釁^(qū)進(jìn)入洪澤湖。蘇北盆地地層屬下?lián)P子地層分區(qū),地層從上元古界至第四系均有不同程度的發(fā)育。在老子山地?zé)釁^(qū),主要分布有第四系、古近系和震旦系。全區(qū)除震旦系在老子山—伏窩一帶的低山殘丘區(qū)出露外,皆為第四系覆蓋(圖1)。老子山地?zé)崽锏臒醿?chǔ)層為震旦系燈影組(Z2d)。該套地層巖溶、裂隙發(fā)育,富水性好,涌水量大。老子山T1、T2、T3、T4井井深為106.8~255.8m,均鉆遇強(qiáng)風(fēng)化帶、構(gòu)造破碎帶和巖溶發(fā)育帶,溶洞最大直徑達(dá)3m,巖心中見蜂窩狀溶孔。蓋層為第四系和古近系,厚50~140m。第四系巖性為黏土、亞黏土、粉砂、中粗砂等。古近系為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。2熱分析2.1測溫和熱流分析采用十里營地?zé)峋?圖1)實(shí)測大地?zé)崃髦底鳛檠芯繀^(qū)的區(qū)域熱流背景值。該井于2009年6月成井,井溫測量于靜井106d后進(jìn)行,測溫井段深度為780~2193m,測點(diǎn)間距20m。所用儀器為MT-Ⅲ數(shù)字測井儀,測溫范圍為0~150℃,精度0.01℃。測溫曲線(圖2)顯示,在940~2040m層段測溫曲線下凹,經(jīng)分析,系由下降的地下水流所致。據(jù)地溫場受垂向地下水流動(dòng)影響的穩(wěn)態(tài)溫度場公式進(jìn)行地下水活動(dòng)校正(圖2),得熱流值為63.9mW/m2。該值低于蘇北盆地?zé)崃髌骄禐?8mW/m2。這是由于地?zé)崽镄律缟w層很薄,且西側(cè)的老子山—佛窩斷褶隆起帶基巖大面積裸露。這一方面造成蓋層保溫作用差,深部傳導(dǎo)上來的熱量快速散失;另一方面在基巖裸露區(qū)接受下行地下水補(bǔ)給,導(dǎo)致地溫偏低。2.2巖漿活動(dòng)對現(xiàn)行地溫場的影響對于放射性熱源,假設(shè)地殼最上部10km厚度內(nèi)放射性元素均勻分布,依蘇北盆地地殼平均生熱率A=0.81μW/m3,則衰變產(chǎn)生的熱量Δq=AΔz=0.81μW/m3×10km=8.1mW/m2,并不構(gòu)成特殊熱源。巖漿活動(dòng)對現(xiàn)今地溫場的影響取決于巖漿活動(dòng)年代和巖漿體規(guī)模等。區(qū)內(nèi)最新的巖漿巖為燕山晚期和喜山期。巖體埋藏較淺或直接出露地表,除個(gè)別達(dá)幾平方千米外,一般在數(shù)十至數(shù)百平方米。由于巖漿活動(dòng)時(shí)間皆在全新世以前,且規(guī)模較小,其余熱已散失殆盡,對現(xiàn)今地溫場無影響。實(shí)際上,區(qū)內(nèi)盱眙縣南部玄武巖分布區(qū)泉水溫度均低于20℃,鉆孔也未見地溫異常,故區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)對于地溫場無明顯影響,不構(gòu)成附加熱源。因此,老子山地?zé)崽飳儆谟烧４蟮責(zé)崃骷訜岬姆腔鹕叫偷責(zé)嵯到y(tǒng)。3地基區(qū)熱區(qū)熱資源性特征老子山熱田所處的盱眙構(gòu)造帶,構(gòu)造活動(dòng)頻繁,構(gòu)造形跡多樣,斷裂構(gòu)造非常發(fā)育,主要發(fā)育NNE、NE、NW向3組斷裂構(gòu)造(圖1)。NNE向斷裂帶延伸遠(yuǎn)、規(guī)模大,切穿了古生界基底,為左行壓性、壓扭性的平移斷裂。NW向斷裂為張性斷裂,切割了早期NNE向斷裂。3組斷裂均為新構(gòu)造斷裂。新構(gòu)造斷裂具有延伸性、連通性、透水性好的特點(diǎn),2組斷裂交匯處往往成為熱水富集的有利部位。據(jù)地?zé)釁^(qū)5m和90m深度地溫等值線圖(圖3)可知,地?zé)岙惓捈s700m,呈NNE向條帶狀展布,與區(qū)域上NNE向斷裂的走向一致。地溫最高點(diǎn)出現(xiàn)于地?zé)崽飽|北部,恰好位于NNE向斷裂與NW向斷裂的交匯處(圖1)。這是由于該處地層破碎,連通性好,使得深部熱水上涌,造成局部高溫異常。這也為鉆探和抽水試驗(yàn)所證實(shí)。4熱水補(bǔ)充分析4.1水的組成組成2009年7月對區(qū)內(nèi)地下水和地表水進(jìn)行了樣品采集,水化學(xué)和同位素測試結(jié)果列于表1。各水樣的水化學(xué)特征如圖4所示。該水樣點(diǎn)位于地?zé)岙惓^(qū)內(nèi),受到地?zé)崴烊氲挠绊?。震旦系地?zé)崴疄镹a-Ca-SO4-Cl型,ρ(TDS)達(dá)2000mg/L,陽離子以Na+為主,陰離子以SO42-為主;第四系地下水為Ca-Mg-SO4-HCO3-Cl型,ρ(TDS)達(dá)967mg/L,陽離子以Ca2+為主,陰離子中SO42-含量較高;淺層碳酸鹽巖地下水(震旦系和寒武系地下冷水)和洪澤湖水為Ca-Na-Mg-HCO3型,ρ(TDS)較低,分別為160mg/L和400mg/L左右,陽離子以Ca2+為主,陰離子以HCO3-為主。研究區(qū)不同水體的δ2H-δ18O組成示于圖5。當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(localmeteoricwaterline,LMWL)由國際原子能機(jī)構(gòu)全球降水同位素監(jiān)測網(wǎng)(GNIP)南京站監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸得到。區(qū)內(nèi)水樣的水穩(wěn)定同位素組成存在明顯差異。其中:洪澤湖水同位素最為富集,其δ2HVSMOW為-47.5‰,δ18OVSMOW為-6.57‰;淺層地下水,即老子山第四系地下水、十里營震旦系地下冷水和三河農(nóng)場寒武系地下冷水同位素較為虧損,其δ2HVSMOW為-56.0~-55.3%,δ18OVSMOW為-7.98‰~-7.73‰;老子山T1和T3井地?zé)崴凰刈顬樘潛p,δ18OVSMOW約為-8.2‰,δ2HVSMOW為-60‰左右,反映其補(bǔ)給高程較高。4.2地下水水資源量hr地下水補(bǔ)給高程的計(jì)算公式為式中:H為地下水補(bǔ)給高程(m);δ18Ogw為取樣點(diǎn)地下水的δ18OVSMOW值(‰);δ18Or為參考點(diǎn)水樣δ18OVSMOW值(‰);gradδ18O為降水δ18OVSMOW的高程梯度(‰/hm);Hr為地下水參考點(diǎn)地面高程(m)。參考中國華北和南部地區(qū)降水δ18O的高程效應(yīng),取gradδ18OVSMOW=-0.2‰/hm。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件,老子山—佛窩斷褶帶以東的淺層碳酸鹽巖冷水接受上覆松散層的垂向補(bǔ)給和西側(cè)碳酸鹽巖裸露區(qū)地下水的側(cè)向補(bǔ)給,故選擇老子山地?zé)崽锔浇氖餇I和三河農(nóng)場的淺層碳酸鹽巖地下水為參考點(diǎn),其δ18OVSMOW值分別為-7.9‰和-7.7‰,Hr分別為27m和15m。δ18Ogw取T3井的值(-8.2‰)。求得地?zé)崴难a(bǔ)給高程分別為177m和265m。結(jié)合周邊地形資料分析,補(bǔ)給區(qū)應(yīng)位于老子山地?zé)崽镆阅霞s60km處盱眙南部至張八嶺一帶的丘陵區(qū)。4.3第四系地下水的補(bǔ)給在老子山地?zé)岙惓^(qū)內(nèi),存在第四系地下水與地?zé)崴秃闈珊幕旌?在老子山地?zé)峋甌1進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí),地?zé)峋甌2及附近第四系水井水位同時(shí)發(fā)生響應(yīng),顯示地?zé)崴c第四系地下水之間存在水力聯(lián)系;此外,洪澤湖水對于湖區(qū)周圍的第四系地下水也存在補(bǔ)給。圖6、圖7中ρ(Cl-)與δ2HVSMOW和ρ(TDS)之間的線性關(guān)系也證明了混合作用的存在。據(jù)地?zé)峋畼拥?H數(shù)據(jù),T1井水樣3H活度濃度為13.8TU,而T3井為1.1TU。T1井水樣較高的3H活度濃度應(yīng)為第四系地下水的混入所致,而T3井水樣應(yīng)為未發(fā)生混合的古水。故選擇T3井14C數(shù)據(jù)計(jì)算地下水年齡。14C表觀年齡計(jì)算公式為式中:t為地下水表觀年齡(a);λ=12.1×10-6/a,為14C衰變常數(shù);α014C為母核初始放射性濃度(pMC);αt14C為樣品14C的放射性濃度(pMC)。取14C初始放射性濃度為100pMC,得地?zé)崴碛^年齡為7800a。4.4熱儲(chǔ)預(yù)測溫度據(jù)T3井水化學(xué)數(shù)據(jù),應(yīng)用化學(xué)溫標(biāo)估算熱儲(chǔ)溫度。K-Mg和α-方英石溫標(biāo)得出的溫度過低,分別為為38℃和52℃;玉髓溫標(biāo)得到的溫度為73℃,接近井口溫度;Na-K、無定形二氧化硅和β-方英石溫標(biāo)得的溫度較高,分別為185℃、193℃和228℃;Na-K-Ca溫標(biāo)、無蒸汽損失和蒸汽足量損失的石英溫標(biāo)得到的溫度居中,分別為94℃、103℃和90℃。各溫標(biāo)估算的溫度之間存在差異,這與熱儲(chǔ)溫度下的平衡礦物組合或熱水上升過程中的再平衡等過程有關(guān)。采用熱水-礦物平衡方法,計(jì)算了不同溫度(60~150℃)下的lg(Q/K)值。其中:Q為礦物的活度積(mol/L)n;K為反應(yīng)的平衡常數(shù)(mol/L)n;n為礦物組分的化學(xué)計(jì)量數(shù)之和。得到平衡溫度約為120℃(圖8)。平衡礦物組合為玉髓、透輝石、白云石、石膏和石英。綜上,老子山熱田的熱儲(chǔ)預(yù)測溫度約為73~120℃,屬中低溫地?zé)崴５責(zé)崴h(huán)深度計(jì)算公式為式中:Z為循環(huán)深度(m);Z0為恒溫帶深度(m);TR為熱儲(chǔ)溫度(℃);T0為恒溫帶深度(m);gradT為地溫梯度(℃/hm)。據(jù)區(qū)域熱流資料,補(bǔ)給區(qū)地溫梯度為2.5℃/hm,當(dāng)?shù)睾銣貛疃?0m,年均溫度為14.7℃,則地?zé)崴难h(huán)深度為2350~4200m。5地下空氣壓縮熱流聯(lián)合支護(hù)老子山地?zé)崽飳僦械蜏貙α餍偷責(zé)嵯到y(tǒng)。地?zé)崽镌谄湟阅霞s60km處盱眙縣南部至張八嶺一帶的丘陵區(qū)接受大氣降水補(bǔ)給,大氣降水滲入地下后沿盱眙構(gòu)造帶多條NNE向斷裂向北運(yùn)移(圖1),并在正常的大地?zé)崃鞅尘跋聻閲鷰r逐漸加熱,循環(huán)深度為2350~4200m,熱儲(chǔ)溫度約為73~120℃,循環(huán)周期約為7800a。熱水在老子山地區(qū)NNE向斷裂與NW向斷裂交匯處沿巖溶、裂隙等導(dǎo)水通道上涌,形成地?zé)崽铩?注重深循環(huán)加熱研究老子山地區(qū)大地?zé)崃鞅尘爸禐?3.9mW/m2,屬正常范圍;放射性生熱和巖漿活動(dòng)不構(gòu)成附加熱源。老子山地?zé)崽飳僦械蜏貙α餍偷責(zé)嵯到y(tǒng)。其水源為大氣降水,由盱眙南部至張八嶺一帶的丘陵區(qū)下滲,經(jīng)深循環(huán)加熱成為